Drone DIY: Cum să-ți construiești propria dronă

Dronele comerciale de la producători mari precum Skydio sau DJI sunt accesibile și ușor de achiziționat, însă ceea ce comanzi este exact ceea ce primești – devine dificil să-ți personalizezi drona în funcție de aplicația dorită.

 

Chiar și kiturile prefabricate pot limita posibilitatea de a face alegeri de design pentru a optimiza viteza sau pentru a utiliza materiale pe care le ai deja la dispoziție, economisind astfel bani. Construirea propriei drone DIY (Do It Yourself – „fă-o singur”) îți oferă libertatea de a o adapta exact nevoilor tale. În acest ghid, îți prezentăm pas cu pas procesul de construire a unei drone, o listă accesibilă și personalizabilă de materiale, precum și avantajele diferitelor metode, materiale și componente.

Înțelegerea fizicii dronelor

Înainte de a construi propria dronă DIY – vom parcurge ulterior procesul de design al unui quadcopter – este esențial să înțelegi elementele de bază ale designului și performanței unei drone.

De ce quadcoptere?

Quadcoptere sunt utilizate în curse, supraveghere, cercetare, monitorizarea șantierelor de construcții și multe altele. Punctul lor forte este manevrabilitatea și capacitatea de a plana, ceea ce le face ideale pentru aplicații de monitorizare, cum ar fi supravegherea locurilor de crimă sau cartografierea agricolă. Spre deosebire de ele, dronele cu aripă fixă (fixed-wing), utilizate în domeniul apărării, sunt concepute pentru zboruri lungi și transport de sarcini grele.

Poți, desigur, construi și o dronă DIY cu aripă fixă, însă procesele de decolare și aterizare sunt mai complicate. Pentru un prim proiect, un design de tip quadcopter este mai simplu de realizat.

Un quadcopter decolează datorită motoarelor care împing aerul în jos, generând „suspensie” (lift). Două motoare se rotesc în sensul acelor de ceasornic, iar celelalte două în sens opus. Aceste forțe opuse mențin echilibrul dronei, la fel cum un elicopter își menține stabilitatea prin rotorul principal și rotorul de coadă.

Dimensiunea, forma și materialul cadrului dronei

Cadrul este esențial – el definește dimensiunea dronei, trebuie să fie rezistent, ușor și durabil. Rolul său este de a susține componentele electronice și de a conecta brațele motoarelor. Dimensiunea unei drone se măsoară ca distanța dintre vârfurile opuse ale elicei, așadar o „dronă 550” are 550 mm între vârfurile elicei. Majoritatea dronelor FPV, precum cele de la DJI, au între 200 și 300 mm în diametru – sunt rapide și agile, dar autonomia de zbor este redusă, deoarece nu pot transporta baterii mari.

 

Majoritatea cadrelor comerciale sunt fabricate din plastic ABS turnat prin injecție. Pentru o dronă DIY, poți achiziționa componente ABS sau rame din fibră de carbon, ușor de prelucrat și asamblat. Sau poți crea un design propriu cu ajutorul imprimării 3D – ideal pentru aplicații personalizate unde trebuie să îmbini motoare, fire, baterii și module de navigație care nu se potrivesc într-un cadru standard.

 

Imprimantele 3D SLA permit realizarea de cadre durabile din rășini precum Tough 1500 V2 de la Formlabs, care suportă impacturi similare cu cele din polipropilenă turnată. Alternativ, pudrele SLS precum Nylon 12 Tough permit fabricarea fără suporturi, oferind geometrii organice optimizate pentru raportul rezistență-greutate.

Definirea parametrilor designului dronei DIY

Înainte de alegerea componentelor, stabilește câțiva parametri de bază, răspunzând la următoarele întrebări:

Aplicație: Cum pot optimiza designul pentru scopul final?

Toate dronele trebuie să găsească un echilibru între integritatea structurală și greutate, pentru a susține sarcina utilă fără a consuma rapid sursa de energie.

  • Dronele pentru livrări trebuie să fie mari și să aibă o sursă de energie puternică.

  • Dronele pentru curse trebuie să fie extrem de ușoare și manevrabile.

  • Dronele de supraveghere trebuie să includă camere de înaltă calitate.

Reglementări: Ce legi trebuie respectate?

Reglementările variază de la țară la țară. În SUA, dronele sub 250 grame pot fi pilotate recreativ fără licență FAA. Cele peste 250 grame necesită licență și, uneori, aprobări locale. Este nevoie de un test scris și de o taxă.

În toate cazurile, dronele trebuie să zboare sub 400 de picioare și nu pot fi operate la mai puțin de 8 km (5 mile) de un aeroport.

Cost: Cât ar trebui să investesc în componente?

Combină piese comerciale în funcție de buget. Un avantaj al imprimării 3D este flexibilitatea în design: poți adapta cadrul la componente mai ieftine care altfel nu s-ar potrivi într-un kit standard.

Alege o metodă de fabricație pentru drona ta

Poți alege între trei variante: componente complet standard (off-the-shelf), un kit predefinit pentru drone sau un design complet original (și metodele de fabricare a acestor piese). Majoritatea kiturilor de drone vin cu instrucțiuni de asamblare, așadar, în acest ghid ne vom concentra pe construirea unei drone DIY cu un design original, folosind imprimarea 3D pentru toate componentele non-electrice. Totuși, chiar și în cazul kiturilor de drone sau al construcțiilor din piese standard, imprimarea 3D poate fi o metodă excelentă pentru fabricarea de piese de schimb sau pentru elemente care îmbunătățesc, securizează sau adaptează o dronă pre-asamblată.

Imprimarea 3D pentru drone DIY

Deși majoritatea pasionaților de drone sunt familiarizați cu tehnologia FDM (fused deposition modeling), unde un duză extrudează firul de material strat cu strat, asemenea unui pistol de lipit cu silicon, această metodă nu este ideală pentru drone funcționale. Proprietățile anizotrope ale materialelor imprimate FDM înseamnă că, în caz de impact sau solicitare mecanică, piesele pot ceda de-a lungul liniilor de stratificare. Totuși, imprimarea FDM, fiind accesibilă și rapidă, rămâne utilă pentru prototiparea pieselor de dronă, dar producția finală ar trebui să se bazeze pe tehnologii de imprimare 3D mai performante.

 

Imprimantele 3D SLA pot fi utilizate atât pentru prototipare, cât și pentru producerea de componente finale, de calitate. Proprietățile materialelor imprimate SLA sunt izotrope, astfel încât impacturile și sarcinile mecanice nu provoacă delaminarea pieselor, așa cum se întâmplă la imprimarea FDM. În plus, imprimarea SLA oferă o gamă variată de materiale specializate, potrivite pentru diverse aplicații. De exemplu, dronele subacvatice (UUV-uri) necesită carcase etanșe pentru electronice — iar componentele UUV imprimate SLA reprezintă o alegere ideală, mai ales când se folosesc materiale flexibile precum Formlabs Silicone 40A Resin pentru garnituri și etanșări.

 

Materialele rezistente la impact, precum Tough 1500 Resin V2, sunt recomandate pentru imprimarea de carcase subțiri, suporturi și capace. Finisajul neted al pieselor SLA contribuie și la un aspect profesional și îmbunătățește estetica generală a dronei. Imprimantele SLA de mare viteză, precum Form 4 și Form 4L, permit realizarea de prototipuri de mai multe ori pe zi și sunt utile în etapele iterative de proiectare.

 

Imprimarea SLS oferă mai multe avantaje unice pentru designul de drone. Tehnologia de fuziune în pat de pulbere susține piesa în timpul imprimării, eliminând urmele de suport și permițând geometrie complexă, organică, ideală pentru optimizarea greutății fără a compromite rezistența. Pulberile SLS disponibile, precum Formlabs Nylon 12 Tough Powder, sunt extrem de durabile și dovedite în aplicații industriale solicitante. Pentru dronele DIY imprimate 3D, comandarea pieselor SLS de la un furnizor de servicii este cea mai bună opțiune pentru a obține un cadru funcțional, durabil și rezistent, la cel mai bun preț posibil. Dacă dorești să proiectezi și să fabrici una până la cinci drone pentru afacerea ta (de exemplu, drone ca serviciu), imprimarea 3D externalizată este cea mai rentabilă soluție, iar componentele SLS oferă cea mai bună combinație între libertatea de design și rezistența funcțională.

 

Pentru cei care doresc să producă drone imprimate 3D în volume mai mari, achiziționarea unei imprimante SLS proprii, precum Fuse 1+ 30W, menține costurile inițiale reduse și permite un flux de producție eficient.

Folosirea uneltelor imprimate 3D pentru drone DIY

Multe dintre dronele destinate consumatorilor folosesc cadre din fibră de carbon, datorită greutății reduse și rezistenței lor excepționale. Aceste componente din fibră de carbon sunt, de obicei, decupate din foi produse în masă. Deși aceste cadre reprezintă o soluție bună pentru un kit DIY (Do-It-Yourself) de construit drone acasă, ele sunt realizate pentru a se potrivi unor configurații tehnologice specifice și nu sunt cu adevărat personalizabile.

 

Totuși, imprimarea 3D poate reprezenta o metodă accesibilă de a crea o dronă DIY, chiar și atunci când piesele imprimate 3D nu sunt folosite pentru cadru. Uneltele rapide imprimate 3D (rapid tooling) oferă o modalitate simplă de a produce componente personalizate din fibră de carbon direct în atelier.

Matrițele pentru fabricarea pieselor din fibră de carbon pot fi realizate printr-o varietate de tehnici, însă finisajul de suprafață neted și vasta bibliotecă de materiale oferite de imprimantele 3D SLA (stereolitografie) le fac o alegere comună pentru producția internă de matrițe. Piesele obținute prin SLA nu prezintă linii de stratificare sau porozitate, astfel încât foile de fibră de carbon pot fi presate ferm în matriță fără riscul de a obține o suprafață texturată.

 

O altă utilizare a imprimării 3D în realizarea componentelor pentru drone DIY este înlocuirea elicei, care în mod normal este fabricată în masă. Designul elicei depinde în mare măsură de fizica mișcării aerului și a apei — o mică modificare de formă poate avea un impact semnificativ asupra forței și direcției de ridicare a dronei. Elicele turnate prin injecție vor avea dimensiuni constante și o rezistență superioară, însă este posibil să le imprimi 3D acasă. Înainte de a le proiecta, profită de numeroasele tutoriale puse la dispoziție de experți în programe CAD, precum cele realizate cu Fusion 360.

Proiectarea unei drone DIY folosind tehnologia SLS

Ca exemplu, iată pașii detaliați pentru a proiecta și construi o dronă DIY FPV (first-person view) care respectă reglementările FAA și NDAA:

  • Identificarea parametrilor:
    • Poate avea peste 250 grame
    • Are funcție de identificare la distanță (Remote ID)
    • Dispune de GPS
    • Are cameră și tehnologie de transmisie video
    • Folosește o baterie standard SUAS: HRB 2 bucăți 6S Lipo Battery XT60
    • Tip de motor: quadcopter
  • Alege designul dronei:
    • Aripă fixă, quadcopter cu brațe distanțate sau stil copter cu elice încadrate.
    • Optimizează designul pentru greutate redusă, folosind structuri tip rețea (latticing).
    • Rulează designul printr-un program de proiectare generativă pentru a obține cea mai bună combinație de greutate și rezistență, eliminând materialul în exces.
  • Alege un proces de imprimare 3D:
    • Pentru această dronă, avem nevoie de un material rezistent care să suporte greutatea bateriei LiPo, fără a fi prea mare sau greoi. Cadrul dronei trebuie, de asemenea, să reziste la impacturi și la expunere UV.
    • Cea mai bună metodă pentru a optimiza raportul între rezistență și greutate, păstrând compatibilitatea cu componentele standard, este imprimarea dronei DIY folosind tehnologia SLS. Folosind imprimanta Fuse 1+ 30W de la Formlabs, putem imprima toate piesele dronei într-o singură cameră de construcție, fără suporți, și obține un ansamblu complet cu post-procesare minimă, în mai puțin de 24 de ore.
  • Alege materialele pentru imprimare 3D:
    • Pentru a maximiza rezistența și durabilitatea cadrului, vom folosi Formlabs Nylon 12 Tough Powder pentru brațe, placa de montaj a componentelor și capac, iar pentru distanțiere, suportul camerei și suportul GPS vom folosi TPU 90A Powder.
    • Piesele din Nylon 12 Tough Powder sunt foarte ductile și extrem de precise dimensional. Cu o rată de reciclare a materialului de doar 20%, este un material foarte eficient din punct de vedere al costurilor.
    • TPU 90A Powder este ideal pentru componente care trebuie să absoarbă șocuri și să protejeze instrumente sensibile precum camera și modulul GPS. În cadrul acestui proiect, suportul GPS va fi decupat pentru a introduce un cablu – acest lucru este posibil cu TPU 90A, dar nu și cu alte pulberi SLS.
  • Imprimare și post-procesare:
    • Urmează instrucțiunile de imprimare și post-procesare.
      • Distanțierele sunt foarte mici și pot fi pierdute în excesul de pulbere. Creează o cușcă de piese pentru a le localiza mai ușor sau imprimă-le sub formă de grilaj, care poate fi decupat ulterior.
    • Pentru drona noastră imprimată SLS, va trebui să imprimi piesele din Nylon 12 Tough Powder pe o imprimantă și piesele din TPU 90A Powder pe alta.
      • Îndepărtează pulberea nesinterizată folosind stația Fuse Sift.
      • Nu folosi sablarea (media blasting) pentru piesele din TPU 90A (suporturi și distanțiere).
  • Asamblează drona DIY imprimată 3D:
    • Pentru a urmări procesul de construcție al dronei, urmărește-l pe Henry Sullivan, Chief Product Officer la Building Momentum.

Apéndice: Lista materialelor

ArticolDescriereCantitate per dronăPreț unitar (USD)
Curele prindere baterieCurea prindere baterie27,99
Elemente de fixarePiuliță pătrată M3 [cadru general]128,00
Șuruburi M3 x 16 mm cu cap rotund și flanșă [cadru general]1212,93
Șaibe M365,50
Șuruburi M3 x 10 mm [motoare]169,37
Șuruburi M2 x 16 mm cu cap plat [VTX]49,00
Șaibe M2 [VTX]49,75
Șuruburi M3 x 30 mm cu cap plat [stack controler zbor]46,93
Conector baterieConector XT60 E-M18,59
Baterie sUASModul Dronetag BS V2 cu identificare la distanță (Remote ID)189,00
Baterie HRB 2buc 6S LiPo XT60 22.2V 4000mAh 60C190,99
Adaptor baterieAdaptor XT90 (3 bucăți) tata către XT60 mamă – convertor pentru LiPo/ESC19,60
Conector antenăCablu SMA la U.FL 30 cm15,49
Antena VTXAntenă LHCP SMA 125 mm roșie114,99
Ochelari VRXWalksnail Avatar HD Goggles1458,99
Receptor RC (RX)Receptor dual HGLRC Gemini ELRS 2.4GHz122,99
Transmițător RC (TX)RadioMaster Boxer - transmițător radio 4-în-11139,99
ESCESC 4-în-1 Hobbywing XRotor Micro 65A 6S BLHeli_32 - 30x30189,99
Controler de zborControler de zbor RADIX 2 HD, bazat pe H7, pentru sisteme FPV digitale1112,99
GPSModul GPS Lumenier SAM-M10Q - conform NDAA179,99
Transmițător video HDWalksnail Avatar HD Kit V2 - 8GB - cu giroscop1139,00
Cablu coaxial FPVCablu coaxial Walksnail Avatar 20 cm111,90
MotoareMotor T-Motor CINE Series Cine66 2812 - 925KV445,99
EliceElice HQProp 7.5X3.7X3 din policarbonat44,99
Încărcător bateriiÎncărcător inteligent iSDT 608AC AC 50W DC 200W 8A cu sursă detașabilă164,99
Pungă LiPoPungă pentru depozitare baterii LiPo112,99

Pentru mai multe informații:

Contactați-ne